魏 冬

（中國(guó)石化股份有限公司天津分公司，天津 3 00271）

一、概況

某廠乙烯裝置裂解爐配套國(guó)產(chǎn)四臺(tái)橢圓封頭雙套管式廢熱鍋爐（簡(jiǎn)稱TLE），其作用是降低裂解氣溫度以及回收余熱，并產(chǎn)生壓力為12.4MPa、溫度326℃的高壓蒸汽。TLE管程流動(dòng)介質(zhì)為高溫裂解氣，殼程是鍋爐水和受熱產(chǎn)生的高壓蒸汽。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 TLE主要參數(shù)表

經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行后對(duì)這四臺(tái)TLE進(jìn)行內(nèi)外部檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A、B、C三臺(tái)設(shè)備裂解氣入口側(cè)管板都有不同程度的球化現(xiàn)象，其中C臺(tái)管板嚴(yán)重球化，管板有3處鼓包，最薄處厚度2.9mm；A臺(tái)管板完全球化，管板有1處鼓包，最薄處厚度7.3mm。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，A臺(tái)修復(fù)降級(jí)使用，C臺(tái)報(bào)廢。

二、檢驗(yàn)

1.外觀檢驗(yàn)

外觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TLE下管箱集束管外觀呈烏灰色，有高溫氧化特征，其中有三條集束管上出現(xiàn)了鼓包，鼓包部位見圖1。最大鼓包處鼓出12mm左右，局部放大示意圖見圖2。

對(duì)三處鼓包部位和無(wú)鼓包部位分別進(jìn)行剖斷檢查，發(fā)現(xiàn)鼓包部位水側(cè)內(nèi)壁都附著結(jié)垢物，結(jié)垢物由松散的碳黑色粉末和厚度約有5mm的層狀硬塊組成；在對(duì)無(wú)鼓包部位集束管剖斷檢查后發(fā)現(xiàn)，管壁內(nèi)清潔，有一層氧化膜。

2.超聲波測(cè)厚檢測(cè)

通過(guò)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，集束管所有未發(fā)生鼓包的部位壁厚均正常，而鼓包區(qū)域則都顯示出壁厚減薄，且鼓包越大，減薄現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3.換熱管化學(xué)成分分析

對(duì)廢熱鍋爐集束管所用15Mo3鋼管的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，并與DIN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比，數(shù)據(jù)見表2。

表2 TLE集束管化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)%

通過(guò)將15Mo3鋼的化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)與DIN標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比可以知道，TLE用鋼符合15Mo3鋼的制造標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.硬度檢測(cè)和復(fù)膜金相檢測(cè)

對(duì)所有鼓包部位和隨機(jī)抽取未發(fā)生鼓包部位進(jìn)行硬度測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果為：鼓包處測(cè)定值為HB88～110，未鼓包部位測(cè)定值為HB120～140。通過(guò)硬度檢測(cè)結(jié)果可知鼓包部位的材質(zhì)出現(xiàn)劣化，強(qiáng)度下降。

在對(duì)集束管鼓包頂部、鼓包截面根部部位和未發(fā)生鼓包部位分別進(jìn)行了復(fù)膜金相分析。

15Mo3的正常金相組織為鐵素體＋珠光體的形態(tài)，滲碳體組織分布在鐵素體基體中。鼓包頂部部位金相組織為粒狀珠光體組織，屬于嚴(yán)重球化。鼓包部位截面根部區(qū)域的金相組織滲碳體球化狀況要稍微好一些，未發(fā)生鼓包部位的復(fù)膜金相組織較為正常。

5.垢樣分析

在去除松散的的黑色粉末后，對(duì)層狀硬塊進(jìn)行了燒灼減量、酸不溶物和氧化鈣、氧化鎂、氧化鋅等氧化物的測(cè)定。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

從分析結(jié)果可知，鼓包部位層狀硬垢62%以上是Fe2O3，即大部分為腐蝕產(chǎn)物。

6.鍋爐水質(zhì)分析（見表4）

表3 TLE集束管內(nèi)部垢樣分析數(shù)據(jù) %

三、失效原因分析

（1）從上述檢驗(yàn)情況看，TLE內(nèi)外管及管板材質(zhì)采用的是使用條件為≤530℃的15Mo3過(guò)熱器管，能夠滿足正常的工況條件；通過(guò)管材的化學(xué)成分分析，各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)，可以認(rèn)定TLE的材質(zhì)沒有問(wèn)題。檢查歷史工藝操作和鍋爐水質(zhì)記錄，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，可以排除因工藝操作和水質(zhì)原因而引起廢熱鍋爐集束管損壞。

（2） 鼓包部位有硬垢，說(shuō)明鍋爐水內(nèi)存在不溶固體顆粒。雖然鍋爐水供水指標(biāo)正常，但由于鍋爐水在運(yùn)行中不斷受熱氣化，鍋爐水內(nèi)微量元素會(huì)不斷濃縮，包括氯離子在內(nèi)的微量元素會(huì)對(duì)鍋爐換熱管發(fā)生腐蝕。排污間隔時(shí)間為1個(gè)月左右，間隔時(shí)間較長(zhǎng)，就增加了鍋爐水內(nèi)微量元素對(duì)換熱管腐蝕的幾率。TLE下管箱集束管為高溫裂解氣入口，局部下凹使局部流速降低，造成氯離子局部含量增加，所以易產(chǎn)生氯離子腐蝕。

（3） 鍋爐殼程的水蒸氣介質(zhì)中的微量固體顆粒（包括腐蝕產(chǎn)物）向下沉積，下管箱上表面不夠平滑，集束管局部存在下凹，點(diǎn)蝕造成下凹處聚集更多的腐蝕物，造成固體顆粒流動(dòng)不好，在此處形成局部結(jié)垢區(qū)。

局部結(jié)垢區(qū)出現(xiàn)后，在疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物覆蓋下的金屬表面，將會(huì)出現(xiàn)垢下腐蝕。隨著垢層的增加，下管箱集束管的熱傳導(dǎo)率將進(jìn)一步降低，金屬溫度逐漸升高，從而出現(xiàn)局部高溫點(diǎn)。該區(qū)域出現(xiàn)垢下腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物將進(jìn)一步增加垢層厚度，如此循環(huán)作用，使金屬溫度進(jìn)一步升高，使15Mo3集束管材質(zhì)出現(xiàn)了異常珠光體球化，甚至嚴(yán)重球化。材質(zhì)的損傷又進(jìn)一步降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度性能指標(biāo)，腐蝕的加劇又導(dǎo)致了局部減薄，二者相互作用，達(dá)到承載能力不足以承受約為12.4MPa的內(nèi)壓時(shí)，該部位就會(huì)出現(xiàn)鼓包。

（4） 15Mo3材質(zhì)最高允許使用溫度為530℃，從工藝上滿足要求，但在有結(jié)垢傾向的條件下，材質(zhì)的安全裕度不足，抗異常升溫能力脆弱。最近的研究結(jié)果表明，15Mo3鋼及其相類似的鉬鋼組織穩(wěn)定性不夠好，如長(zhǎng)期在500～550℃溫度范圍內(nèi)使用，有珠光體球化和石墨化傾向，尤其在焊接接頭區(qū)域容易產(chǎn)生球化，近年來(lái)已逐步被低碳鉻鉬鋼所取代。

綜上所述，廢熱鍋爐下管箱集束管出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象的外因可以歸結(jié)為：鍋爐水濃縮存在氯離子等微量元素對(duì)金屬表面腐蝕的作用；鍋爐水中存在腐蝕產(chǎn)物等雜物顆粒；下管箱集束管局部存在下凹，殼程內(nèi)的固體顆粒在該區(qū)域沉積，長(zhǎng)期積累形成局部區(qū)域結(jié)垢區(qū)，局部結(jié)垢進(jìn)一步造成腐蝕加劇和局部異常升溫。材質(zhì)損傷的內(nèi)因是15Mo3材質(zhì)最高允許使用溫度低，抗異常溫升能力脆弱。

四、改進(jìn)措施

（1）增加鍋爐水排污次數(shù)，控制廢熱鍋爐殼程鍋爐水微量元素含量，降低微量元素對(duì)金屬表面的腐蝕；加強(qiáng)對(duì)下管箱集束管的清洗，及時(shí)清垢，以降低垢下腐蝕的幾率。

（2）改進(jìn)管箱集束管表面質(zhì)量，或者改進(jìn)管箱套管結(jié)構(gòu)，使沉積顆粒容易被沖走，避免出現(xiàn)局部結(jié)垢區(qū)。

（3）在廢熱鍋爐制造選材上應(yīng)考慮提高材料的等級(jí)，可以采用12Cr1MoV，其使用條件為溫度≤570℃的受熱面管，能夠提高抗異常溫升的能力，且價(jià)格與15Mo3管材相差不大。

[1]姜求志，王金瑞.火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè) [M].中國(guó)電力出版的社，2004.